Крошечное гибкое электронное устройство, охватывающее спинной мозг, может стать новым подходом к лечению травм позвоночника, которые могут вызвать глубокую инвалидность и паралич.

Команда инженеров, нейробиологов и хирургов из Кембриджского университета разработала устройства и использовала их для записи нервных сигналов , проходящих туда и обратно между головным и спинным мозгом. В отличие от нынешних подходов, устройства Cambridge могут записывать информацию на 360 градусов, давая полную картину активности спинного мозга.

Испытания на моделях трупов живых животных и людей показали, что устройства могут также стимулировать движения конечностей и обходить полные повреждения спинного мозга, когда связь между головным и спинным мозгом была полностью нарушена.

Большинство современных подходов к лечению травм позвоночника включают как прокалывание спинного мозга электродами, так и установку имплантатов в головной мозг, что представляет собой операцию высокого риска. Устройства, разработанные в Кембридже, могут помочь в лечении травм позвоночника без необходимости хирургического вмешательства на головном мозге , что будет гораздо безопаснее для пациентов.

Хотя до такого лечения еще как минимум несколько лет, исследователи говорят, что в ближайшем будущем устройства могут быть полезны для мониторинга активности спинного мозга во время операции. Лучшее понимание спинного мозга, который трудно изучить, может привести к улучшению лечения целого ряда заболеваний, включая хроническую боль, воспаление и гипертонию. Результаты сообщается в журнале Science Advances.

«Спинной мозг подобен шоссе, переносящему информацию в виде нервных импульсов в мозг и обратно», — сказал профессор Джордж Маллиарас с инженерного факультета, который возглавлял исследование. «Повреждение спинного мозга приводит к прерыванию движения, что приводит к глубокой инвалидности, включая необратимую потерю сенсорных и двигательных функций».

Возможность контролировать сигналы, идущие в спинной мозг и из него, может существенно помочь в разработке методов лечения травм позвоночника, а также может быть полезна в ближайшем будущем для лучшего мониторинга спинного мозга во время операции.

«Большинство технологий мониторинга или стимуляции спинного мозга взаимодействуют только с двигательными нейронами задней или дорсальной части спинного мозга», — сказал доктор Дамиано Бароне из отдела клинических нейронаук, который возглавлял исследование. «Эти подходы могут охватить только 20–30 процентов позвоночника, поэтому вы получаете неполную картину».

Черпая вдохновение из микроэлектроники, исследователи разработали способ получения информации со всего позвоночника, наматывая очень тонкие имплантаты с высоким разрешением по окружности спинного мозга. Впервые стала возможной безопасная 360-градусная запись спинного мозга — более ранние подходы к 360-градусному мониторингу использовали электроды, которые прокалывают позвоночник, что может вызвать травму позвоночника.

Биосовместимые устройства, разработанные в Кембридже, толщиной всего несколько миллионных метра, изготовлены с использованием передовых технологий фотолитографии и осаждения тонких пленок и требуют минимальной мощности для работы.

Устройства перехватывают сигналы, передаваемые по аксонам или нервным волокнам спинного мозга, позволяя записывать сигналы. Тонкость устройств означает, что они могут записывать сигналы, не повреждая нервы, поскольку они не проникают в сам спинной мозг.

«Это был трудный процесс, потому что раньше мы не изготавливали спинальные имплантаты таким способом, и не было ясно, сможем ли мы безопасно и успешно разместить их вокруг позвоночника», — сказал Маллиарас. «Но благодаря недавним достижениям как в инженерии, так и в нейрохирургии, планеты выровнялись, и мы добились значительного прогресса в этой важной области».

Устройства были имплантированы с использованием адаптации к обычной хирургической процедуре, поэтому их можно было вводить под спинной мозг, не повреждая его. В тестах на моделях крыс исследователи успешно использовали устройства для стимуляции движений конечностей. Устройства показали очень низкую латентность — то есть время их реакции было близко к рефлекторному движению человека. Дальнейшие испытания на моделях человеческих трупов показали, что устройства можно успешно разместить на людях.

Исследователи говорят, что их подход может изменить методы лечения травм позвоночника в будущем. Текущие попытки лечения травм позвоночника включают имплантацию как головного, так и спинного мозга, но исследователи из Кембриджа говорят, что мозговые имплантаты могут не потребоваться.

«Если у кого-то травма позвоночника, с его мозгом все в порядке, но связь прервана», — сказал Бароне. «Как хирург, вы хотите пойти туда, где проблема, поэтому добавление операции на головном мозге к операции на позвоночнике просто увеличивает риск для пациента. Мы можем собрать всю необходимую нам информацию о спинном мозге гораздо менее инвазивным способом» так что это будет гораздо более безопасный подход к лечению травм позвоночника».

Хотя до лечения травм позвоночника еще далеко, в ближайшем будущем эти устройства могут быть полезны исследователям и хирургам, чтобы узнать больше об этой жизненно важной, но недостаточно изученной части анатомии человека неинвазивным способом. Исследователи из Кембриджа в настоящее время планируют использовать эти устройства для мониторинга активности нервов спинного мозга во время операции.

«Было практически невозможно изучить весь спинной мозг непосредственно у человека, потому что он настолько тонкий и сложный», — сказал Бароне. «Мониторинг во время операции поможет нам лучше понять спинной мозг , не повреждая его, что, в свою очередь, поможет нам разработать более эффективные методы лечения таких состояний, как хроническая боль, гипертония или воспаление. Этот подход показывает огромный потенциал для помощи пациентам».